CFB脫硫自動控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制

摘要：鍋爐煙氣污染是工業(yè)污染和大氣污染的重要因素，如何將尾部煙氣含硫量有效而經(jīng)濟地控制在合理范圍內(nèi)是提降低排放成本、高煙氣排放品質(zhì)的一大課題。文章重點分析了CFB鍋爐的脫硫機理，從Ca、S比的控制、床溫的影響、煤炭硫份影響等多個因素出發(fā)，研究并提出一種新的、基于PID參數(shù)優(yōu)化的煙氣含硫量自動控制方法，并將其應(yīng)用在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，實現(xiàn)了CFB鍋爐煙氣含硫量的智能優(yōu)化控制，取得了良好的效果，解決了國內(nèi)電站同型鍋爐難以解決的瓶頸問題，為CFB鍋爐脫硫自動的設(shè)計和應(yīng)用提供了一個嶄新的、行之有效的思路。

關(guān)鍵詞：CFB；脫硫；自動控制；環(huán)境保護

中圖分類號：TK31 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）28-0035-03

目前，我國能源以煤炭為主，工業(yè)用蒸汽絕大多數(shù)由燃煤鍋爐生產(chǎn)，而燃煤鍋爐運行過程中生成的大量SO2等污染物是造成大氣污染的主要因素。控制SO2排放采用的主要方法有煤的洗選、煤的氣化液化、FGD尾部煙氣脫硫、煤粉爐內(nèi)噴鈣脫硫、CFB循環(huán)流化床鍋爐床內(nèi)加石灰石脫硫等。本文針對華能運河電廠一期#3、#4CFB鍋爐的脫硫自動控制方法進行系統(tǒng)的研究。

1 CFB鍋爐SO2排放機理和影響因素

CFB鍋爐的燃料以一定的循環(huán)倍率在爐膛內(nèi)不停燃燒，所以CFB鍋爐煤種適應(yīng)廣，可以燃用各種劣質(zhì)煤，而且在燃燒過程中加入適量石灰石可以與燃燒中的SO2成分進行化學(xué)反應(yīng)，生成CaSO4，起到脫硫作用。影響SO2排放量的因素有很多，除石灰石給料量和粒度控制之外，床溫控制、煤硫份、負(fù)荷需求的變化導(dǎo)致的給煤量變化均為導(dǎo)致煙氣SO2含量變化的要因，因此流化床鍋爐煙氣含硫量的控制，需保證上述各方面均可受有效控制。

（1）對石灰石給料量和粒度的控制。其實就是保證燃料中的Ca、S比。燃燒階段，CaO與SO2接觸時間很短，即會在石灰石顆粒表面生成一層致密的CaSO4（這是因為CaSO4分子量比CaO大得多），阻止了脫硫反應(yīng)的進一步進行，所以CaO在脫硫過程中只能部分被利用，因此粒度不宜過大。但如果顆粒直徑過小，一旦被煙氣攜帶出燃燒室，不易在旋風(fēng)分離器中被捕獲并返回爐膛，因此容易造成脫硫成本上升，所以大部分石灰石粒徑一般控制在0.5mm左右。在粒徑合適的基礎(chǔ)上，Ca、S比越高，脫硫效率越高。通常保證常壓流化床鍋爐Ca、S比為1.8～2.5時，脫硫效率可達(dá)到90%。但Ca、S比過高便意味著石灰石消耗量增加，這會增加運行成本，因此設(shè)計脫硫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，必須在脫硫效率得到保證的前提下，盡量降低Ca、S比。

（2）鍋爐的床溫控制。為了滿足鍋爐燃燒效率，在保證爐體不結(jié)焦的前提下，床溫應(yīng)控制得盡可能高，而脫硫的最佳溫度在850℃左右，一旦超過這一溫度，容易導(dǎo)致逆反應(yīng)速度大大加快，脫硫效率降低，另外也會造成其他排放物（NOx等）的超標(biāo)。因此在保證主蒸汽壓力穩(wěn)定的前提下，床溫可通過調(diào)節(jié)給煤、一次風(fēng)量、回料量和一二次風(fēng)、上下二次風(fēng)配比來進行綜合調(diào)節(jié)，從而使床溫既滿足燃燒效率，又能夠盡量保證爐內(nèi)脫硫的效率。

（3）煤硫份含量及給煤量擾動。我廠CFB鍋爐主要燃用無煙煤，由于煤源較多，燃料內(nèi)含硫量變化大且無法有效控制，而CFB鍋爐系統(tǒng)自身表現(xiàn)的大慣性和大滯后性，使得采用傳統(tǒng)調(diào)節(jié)手段時，煙氣中含硫量一旦產(chǎn)生了波動便無法短時間得到有效控制。另外，負(fù)荷變化給煤量隨即跟蹤變化，這也是燃料硫含量產(chǎn)生變化的原因，因此要求設(shè)計的脫硫調(diào)節(jié)系統(tǒng)自身必須具有較強的抗硫含量擾動的能力，使石灰石給料必須能夠迅速、有效跟蹤硫份的變化。

2 CFB鍋爐脫硫自動控制的設(shè)計

下面，對CFB脫硫自動控制的設(shè)計做一個詳盡闡述：

（1）煙氣含硫量在150～300mg/m3正常值波動時：采用比例-積分控制器進行調(diào)節(jié)。根據(jù)工業(yè)過程采集得到的實時數(shù)據(jù)進行分析，得到我廠CFB硫化床鍋爐正常工況下脫硫過程傳遞函數(shù)近似為：

本調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用變比例、變積分的控制器。其中，比例系數(shù)由當(dāng)前投入自動的石灰石給料機數(shù)量決定。投入自動的給料機越多，系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力越強，為平衡系統(tǒng)調(diào)節(jié)、防止超調(diào)，比例系數(shù)應(yīng)設(shè)置得較低；反之，比例系數(shù)設(shè)置較高。由于進入爐膛的硫份、機組負(fù)荷均與給煤量正相關(guān)，在PI控制的基礎(chǔ)上，以負(fù)荷需求為前饋做超前調(diào)節(jié)，可及時調(diào)整石灰石粉供量，提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（2）當(dāng)前我市煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定煙氣含硫量<400mg/m3，當(dāng)煙氣含硫量高于300mg/m3且繼續(xù)飛升時，由于系統(tǒng)自有慣性及大滯后作用的存在，導(dǎo)致按原有控制器參數(shù)給料已無法令煙氣硫量得到有效控制，必須加快調(diào)節(jié)速度；另外，煙氣含硫量在正常值區(qū)間內(nèi)快速飛升，同樣必須加快調(diào)節(jié)速度，迅速提升Ca、S比。本文設(shè)計采用增大積分調(diào)節(jié)增益（Ki=25）的辦法來提升脫硫速度，即當(dāng)硫含量接近超標(biāo)或快速提高時，依靠一定的積分超調(diào)量來加速給料閥指令上升，使調(diào)節(jié)大幅度加速。為防止因過開旋轉(zhuǎn)給料閥造成石灰石粉堵管，另設(shè)置調(diào)節(jié)閉鎖功能，當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出超過一定限值即保持控制器積算不變。如果采用增大比例系數(shù)的方式提升給料幅度，會放大給料指令波動幅度，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

（3）當(dāng)煙氣硫量降至150mg/m3以下或者低于設(shè)定值50mg/m3時，表明爐膛內(nèi)Ca、S比已經(jīng)過高，從脫硫經(jīng)濟性出發(fā)，應(yīng)當(dāng)快速降低石灰石給料量。仍舊可以采用增大積分調(diào)節(jié)增益（Ki=25）的方法實現(xiàn)，當(dāng)硫含量過低時，依靠積分過調(diào)來加速指令下降。另外設(shè)置調(diào)節(jié)閉鎖，保證最低石灰石粉給料量，有利于穩(wěn)定排煙含硫量、防止?fàn)t內(nèi)Ca、S比降幅過大導(dǎo)致脫硫反應(yīng)停滯。

圖1為CFB煙氣脫硫自動主控制系統(tǒng)組態(tài)圖。脫硫主控制系統(tǒng)由可變比例積分、帶閉鎖功能的脫硫PID和脫硫主控操作器組成。它的比例系數(shù)由當(dāng)前投入自動的給料閥數(shù)量決定，即投入自動數(shù)量越少則比例系數(shù)越高，反之投入越多比例系數(shù)越低，目的是平衡系統(tǒng)自動投入后給料跟隨自動的能力。積分作用由當(dāng)前煙氣含硫量與設(shè)定值的偏差量和偏差變化率決定。當(dāng)滿足一定條件（如偏差為正大且偏差變化率為正大時），則積分增益增大為25，加強積分作用，快速增加或減少主控制器指令的輸出；否則積分增益為1，系統(tǒng)以正常方式進行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用與負(fù)荷需求相關(guān)的函數(shù)曲線為前饋量，以提高系統(tǒng)超前響應(yīng)能力，從而起到及時調(diào)節(jié)煙氣含硫量的目的。脫硫主控制器的輸出被分別送到每一臺供石灰石旋轉(zhuǎn)給料閥操作器的輸入端，可以應(yīng)需求選擇一臺或多臺旋轉(zhuǎn)給料機參與脫硫自動

控制。

3 CFB脫硫自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用

下面兩圖為CFB脫硫系統(tǒng)投入自動后，脫硫主控指令和煙氣含硫量的歷史曲線。由圖2可知，煙氣含硫量在150～300mg/m3之間正常波動時，脫硫自動控制器的輸出跟隨硫含量偏差和負(fù)荷曲線動作，如遇硫量信號快速飛升，并超過一定限度時，立刻迅速開啟給料閥，實現(xiàn)快速降低煙氣含硫量。由圖3得知，一旦因燃料硫份變化造成煙氣硫量超過300mg/m3，則脫硫主控輸出立刻快速提升，加大石灰石投入量，以迅速遏制煙氣硫排放量的上漲。當(dāng)投入自動后，每一臺旋轉(zhuǎn)給料機均有指令高限為55%，以防止給料機輸出過大造成堵管。當(dāng)煙氣硫量下降到150mg/m3左右、延時1min后，如果硫含量一直得到平穩(wěn)保持，則主控指令快速下降，以節(jié)約石灰石料量，降低運行成本。下降亦存在一個低限，從而保證持續(xù)給料，防止供料中斷、脫硫反映停滯。

4 結(jié)語

筆者從CFB脫硫的原理和規(guī)律出發(fā)，針對大慣性、長時滯的CFB爐內(nèi)脫硫特性設(shè)計出一種基于變參數(shù)-帶閉鎖條件PID控制的CFB脫硫自控系統(tǒng)，很大程度上克服了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的弊端，在實踐中取得了良好的效果，提高了煙氣排放品質(zhì)，降低了脫硫成本，降低了運行人員勞動強度，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，解決了國內(nèi)同型鍋爐難以解決的瓶頸問題，為其他同型鍋爐脫硫自動的設(shè)計和投入提供了一個行之有效的思路。

參考文獻

[1] 常冰，汪敏謙，張子輝.SO2和NOx排放在CFB鍋爐上控制的探討[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報，2002，15（4）：91-94.

[2] 商順強，何全茂，王緒科.煤質(zhì)變化對CFB鍋爐運行的影響[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2010，（9）：25-27.

[3] 申良坤.燃燒福建無煙煤CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫、脫硝模型及其傳熱模型研究[D].東華大學(xué)，2006.

作者簡介：陳亮，男，華能濟寧運河發(fā)電有限公司助理工程師，研究方向：火電站熱控技術(shù)研究及現(xiàn)場應(yīng)用。

（責(zé)任編輯：周加轉(zhuǎn)）